La stratigraphie du manteau neigeux

2.6 Conclusion . . . 72

2.1 - Introduction

2.1 Introduction

Les observations radiom´etriques, sur le Plateau Antarctique, sont une mesure de

l’´emis-sion micro-onde de la neige, de la propagation du REM ´emis au sein du manteau

nei-geux et de sa transmission `a travers l’interface air-neige et l’atmosph`ere (voir le

cha-pitre1). L’´etude deBindschadler et al. (2005) a p.e. montr´e que les pics de temp´erature

de brillance, `a 85 GHz et en polarisation verticale, permettaient de d´etecter les ´ev´enements

de pr´ecipitation, une fois la neige d´epos´ee sur le sol. En effet, le d´epˆot de neige sur la

sur-face entraˆıne g´en´eralement une augmentation rapide de T

_B

(85, v), par une diminution de

la diffusion du REM ´emis, `a cause de la petite taille des particules de neige fraˆıche. Les

observations radiom´etriques d´ependent donc de l’´etat de surface.

Le calcul du rapport de polarisation permet d’accroˆıtre la sensibilit´e des mesures

satel-lite `a l’´etat de surface. La r´eflexion `a l’interface air-neige du REM polaris´e horizontalement

est principalement fonction de la densit´e de la neige (voir le chapitre 1). Ainsi, des

chan-gements de la densit´e proche de la surface, p.e. par le d´epˆot de neige fraˆıche, modifient

le rapport de polarisation. La mod´elisation permet d’´etudier l’influence de l’´etat de

sur-face, en particulier la densit´e, sur le rapport de polarisation. Elle n´ecessite n´eanmoins

de connaˆıtre les profils verticaux des grandeurs physiques du manteau neigeux, le REM

micro-onde ´emergeant de plusieurs m`etres de profondeur.

Les m´ethodes utilis´ees pour caract´eriser physiquement la neige dans les r´egions Alpines

ou Arctiques ne sont cependant pas toujours adapt´ees, `a la fois aux conditions extrˆemes du

Plateau Antarctique et `a son manteau neigeux (les diff´erences entre les manteaux neigeux

sont d´ecrites dans l’annexeD). Compte tenu p.e. de la profondeur de p´en´etration du signal

micro-onde `a 19 GHz (3.7 m environ, Brucker et al.,2011), la mesure d’un profil profond

de la taille des grains de neige par des mesures ponctuelles est longue et fastidieuse. En

outre, des difficult´es suppl´ementaires se posent proche de la surface, en particulier `a cause

de la perturbation des mesures optiques et du r´echauffement de la neige par le

rayonne-ment solaire, ainsi que par la faible ´epaisseur et coh´esion de la premi`ere couche de neige.

L’objectif de ce chapitre est de d´ecrire les m´ethodes exp´erimentales

uti-lis´ees et / ou d´evelopp´ees permettant de mesurer les grandeurs physiques de

la neige sur le Plateau Antarctique.

Le manteau neigeux du Plateau Antarctique est permanent, c.-`a-d. que la neige

s’accu-mule sur celle des ann´ees pr´ec´edentes. Il peut ˆetre d´efini comme un empilement de couches

de neige de hauteur variable. Une couche de neige est un milieu biphasique, constitu´e d’un

ensemble de grains de neige

¹

et d’agr´egats de grains, entour´es d’air (voir la figure2.1). La

forme des grains de neige est tr`es variable, cette forme pouvant ˆetre sph´erique, hexagonale

ou ´etoil´ee, ainsi que leur taille, pouvant aller d’une dizaine de microm`etres `a un centim`etre.

La neige d´epos´ee au sol subit ensuite des transformations physiques au cours du temps.

L’ensemble des ph´enom`enes physiques (m´ecanique et thermodynamique) affectant les

pro-pri´et´es physiques de la neige sont appel´es m´etamorphisme (Colbeck,1982,1983). L’action

m´ecanique regroupe entre autre le glissement, le fluage et le frittage des grains de neige,

sous l’action du vent et de la gravit´e. Ce m´etamorphisme m´ecanique entraˆıne g´en´eralement

une augmentation de la coh´esion et de la densit´e de la neige. L’action thermodynamique

est elle gouvern´ee par la temp´erature et la courbure de la surface des grains, sous l’influence

´eventuelle de l’eau liquide.

1. Nous emploierons de mani`ere ´equivalente les termes cristaux de glace, grains de glace ou grains de

neige pour d´esigner un polycristal de glace.

Chapitre 2 : Caract´erisation physique du manteau neigeux

Figure2.1 – Images en trois dimensions de la neige, obtenues par tomographie aux rayons

X. Les couleurs repr´esentent la courbure (convexe ou concave) de la surface des grains de

neige et la taille d’une image est d’environ 2.5 mm.Source : Flin et al. (2004).

L’effet de la temp´erature sur le m´etamorphisme est g´en´eralement visible `a l’´echelle

macroscopique, par l’´etablissement d’un gradient de temp´erature `a l’int´erieur du manteau

neigeux, qui entraˆıne des flux de vapeur d’eau en son sein, alors que la courbure locale

des grains poss`ede un effet plus microscopique, entraˆınant des transferts de vapeur d’eau

des surfaces convexes des grains de neige vers les surfaces concaves. Ces deux m´ecanismes

(macroscopique ou microscopique) tentent d’´etablir l’´equilibre thermodynamique entre la

phase solide et gazeuse de l’eau. Le plus souvent, l’action thermodynamique macroscopique,

li´ee au gradient de temp´erature dans le manteau neigeux, est dominante.

Les grandeurs physiques caract´erisant la neige sont principalement la temp´erature, la

teneur en eau liquide, la densit´e, la taille et la forme des grains, la conductivit´e et diffusivit´e

thermique, et la perm´eabilit´e (Domine et al.,2008). Pour l’´etude de l’´emission micro-onde

sur le Plateau Antarctique et sa mod´elisation, les grandeurs dominantes sont la taille des

grains, principalement responsable de la diffusion, la densit´e, qui influence essentiellement

l’absorption et l’´emission, et la temp´erature qui gouverne l’´emission thermique naturelle

(voir le chapitre1et l’annexeC). Les m´ethodes utilis´ees lors de ces travaux se concentrent

donc sur ces trois variables, la taille des grains ´etant ´etudi´ee `a travers laSSA(abr´eviation

du terme anglais specific surface area).

La section 2.2 ´etudie en premier la surface sp´ecifique de la neige. Les limites et

in-conv´enients des m´ethodes existantes pour mesurer la SSA sont examin´es, en regard des

contraintes associ´ees `a notre ´etude. Dans ce contexte, les instruments POSSSUM et

ASS-SAP ont ´et´e d´evelopp´es au LGGE et sont d´edi´es `a l’observation du manteau neigeux

An-tarctique. Le cas particulier de la SSA de surface est enfin ´etudi´e. La section2.3concerne

ensuite la densit´e de la neige. Cette section ´etudie notamment la variabilit´espatiale de la

mesure de la densit´e et comment mesurer la densit´e du givre pr´esent sur la surface. Les

sections2.4et 2.5pr´esentent enfin une m´ethode de mesure du profil de temp´erature dans

le manteau neigeux et l’observation manuelle de la stratigraphie.

2.2 - La surface sp´ecifique de la neige

2.2 La surface sp´ecifique de la neige

2.2.1 Probl´ematique & ´etat de l’art

La surface sp´ecifiquede la neige est utilis´ee depuis plusieurs ann´ees pour quantifier la

taille des grains (Kokhanovsky and Schreier, 2009; Matzl and Schneebeli, 2010; Brucker

et al., 2011; Gallet et al., 2011; Roy et al., 2013; Dupont et al., 2013 (accepted). Elle

correspond au rapport entre la surface et le volume de glace, par unit´e de masse :

SSA=S/(ρ

_glace

·V) (2.1)

avec SSA la surface sp´ecifique de la neige (en m

2

kg

−1

), S et V respectivement la

surface (en m

²

) et le volume de glace (en m

³

), etρ

_glace

la masse volumique de la glace (en

kg m

−3

). La surface sp´ecifique est inversement proportionnelle au rayon optique :

SSA= 3/(ρ

_glace

·r

opt

) (2.2)

Le rayon optique d’une couche de neige est le rayon d’une sph`ere satisfaisant la

condi-tion suivante : le rapport surface sur volume d’une colleccondi-tion de particules sph´eriques,

d´efinies par le rayon optique, est ´egal au rapport surface sur volume de l’ensemble des

grains de neige. Ainsi, les propri´et´es optiques de la couche, notamment l’alb´edo de

diffu-sion simple (Kokhanovsky and Sokoletsky,2006a;Dumont et al.,2010), sont comparables

entre la couche constitu´ee de grains r´eels et l’ensemble des sph`eres d´efinies par le rayon

op-tique (Warren,1982;Grenfell and Warren,1999;Painter and Dozier,2004;Kokhanovsky,

2009). Le nombre de sph`eres de la collection peut cependant ˆetre largement sup´erieur au

nombre de grains de neige, afin de repr´esenter les propri´et´es optiques de la couche de

neige (M¨atzler,2002).

Par d´efinition, la surface sp´ecifique de la neige est donc une variable objective,

ind´epen-dante de la forme des grains et ne requiert pas de diff´erencier grains de neige et agr´egats

de neige. Elle repr´esente l’ensemble de la glace dans une couche de neige homog`ene. Ainsi,

elle remplace avantageusement la taille des grains de neige, qui est une notion complexe et

ambigu¨e (Debye and Bueche,1949;Debye et al.,1957;LaChapelle,1969). En effet, celle-ci

peut ˆetre d´efinie comme la taille moyenne des grains d’une couche de neige homog`ene (

Col-beck et al.,1990;M¨atzler,2002;Fierz et al.,2009). Cependant, cette d´efinition ne pr´ecise

pas ce que repr´esente la taille. Or, les nombreuses d´efinitions utilis´ees pour quantifier cette

taille, i.e. l’extension maximale d’un grain, la moiti´e de la plus grande dimension d’une

particule de neige, la longueur de corr´elation ... (M¨atzler,2002), sont d´ependantes, soit de

l’observateur, soit de la forme des grains de neige. De plus, la taille moyenne ne repr´esente

pas parfaitement la distribution r´eelle de la taille des grains de neige, qui souvent s’´eloigne

d’une distribution normale (Aoki et al.,2000; Nakamura et al., 2001). L’ensemble de ces

travaux de th`ese utilise la SSA pour caract´eriser la taille des grains.

Peu d’´etudes pr´esentent des mesures de la surface sp´ecifique de la neige sur le Plateau

Antarctique (Gallet et al., 2011; Brucker et al., 2011; Picard et al., 2012b). Les valeurs

mesur´ees sont comprises entre 11.5 et 56 m

²

kg

−1

, avec g´en´eralement une d´ecroissance de

la SSA avec la profondeur, le m´etamorphisme entraˆınant souvent la croissance des grains

de neige (Domine et al.,2008). Diverses m´ethodes exp´erimentales existent pour d´eterminer

la surface sp´ecifique de la neige :

Chapitre 2 : Caract´erisation physique du manteau neigeux

1. L’adsorption de m´ethane `a la surface des particules (Hanot and Domine, 1999;

Le-gagneux et al.,2002;Domine et al.,2007).

2. La st´er´eologie sur des images bidimensionnelles de la neige, obtenue p.e. par ´episcopie

coaxiale (Arnaud et al.,1998;Matzl and Schneebeli,2010).

3. Le calcul num´erique sur des images tridimensionnelles de la neige, obtenue `a l’aide

de la microtomographie aux rayons X (Flin, 2004;Kerbrat et al.,2008; Flin et al.,

2011;Heggli et al.,2011).

4. La mesure de la r´eflectance infrarouge de la neige (Domine et al., 2006;Matzl and

Schneebeli,2006), appel´ee m´ethode optique.

Cette derni`ere m´ethode est le concept de base des instruments POSSSUM et

ASS-SAP (Arnaud et al.,2011), d´evelopp´es et mis au point pendant ces travaux de th`ese.

Adsorption de m´ethane (1)

Le principe de cette m´ethode consiste `a d´eterminer la surface des grains de glace

accessible au m´ethane gazeux. Elle est illustr´ee par la figure 2.2 qui montre une

mono-couche de gaz `a la surface d’un cristal de glace. Plus pr´ecis´ement, l’isotherme d’adsorption

du m´ethane sur un ´echantillon de neige est mesur´e `a la temp´erature de l’azote liquide

(77.15 K pour une pression atmosph´erique standard) par une m´ethode volum´etrique (

Le-gagneux et al.,2002). L’analyse de l’isotherme permet ensuite de d´eterminer la surface de

l’´echantillon, convertie en surface sp´ecifique `a l’aide de sa masse.

Figure2.2 – Adsorption de mol´ecules de m´ethane sur la surface d’une particule de glace,

formant une monocouche de gaz.Source : Domin´e, F., communication personnelle, Takuvik

International Laboratory, Canada.

Les principaux avantages de cette m´ethode sont une grande pr´ecision (inf´erieure `a

8%), une bonne reproductibilit´e et une mesure directe de la SSA (le nombre de mol´ecules

de gaz adsorb´ees est proportionnel `a la surface). Cependant, le temps d’une mesure est

relativement long, de l’ordre de trois heures, et ne peut s’effectuer qu’en laboratoire, apr`es

la r´ecolte d’un ´echantillon de neige sur le terrain.

St´er´eologie sur des images bidimensionnelles (2)

Le principe de cette m´ethode est de d´eduire des propri´et´es tridimensionnelles `a partir

d’images en deux dimensions comportant deux milieux, dans notre cas la glace et l’air.

Diff´erentes techniques permettent d’obtenir des images en deux dimensions de la neige,

comme l’imagerie par rayons X (Ketcham and Carlson,2001) ou l’´episcopie coaxiale (voir

la figure 2.3,Arnaud et al.,1998).

2.2 - La surface sp´ecifique de la neige

Figure 2.3 – Lame mince de glace (les zones noires repr´esentent l’air et les zones grises

la glace) obtenue par ´episcopie coaxiale. La taille de la lame est de l’ordre du centim`etre.

Source :Arnaud et al. (1998).

`

A partir d’une image bidimensionnelle, les m´ethodes st´er´eologiques permettent

d’es-timer des variables tridimensionnelles (Underwood, 1970;Davis and Dozier, 1989;Matzl

and Schneebeli, 2010). Deux principes de bases fondent la st´er´eologie : le principe des

indivisibles (appel´e aussi le principe de Cavalieri, du nom de son inventeur) et l’inf´erence

par ´echantillonnage. Le principe des indivisibles pour une surface plane est le suivant :

si toutes les droites parall`eles de cette surface coupent deux r´egions de cette surface par

des segments de mˆemes longueurs, alors les deux r´egions poss`edent des aires ´equivalentes.

Le second principe, celui de l’inf´erence par ´echantillonnage, stipule qu’un ´echantillonnage

al´eatoire d’une population permet d’inf´erer des statistiques non biais´ees de la population

d’origine avec un intervalle de confiance. Des calculs statistiques permettent ensuite

d’esti-mer des param`etres g´eom´etriques tridimensionnels comme la densit´e ou le rapport entre la

surface de glace et son volume, i.e. proche de la surface sp´ecifique (Matzl and Schneebeli,

2010).

Cette m´ethode est pr´ecise et le temps n´ecessaire pour les calculs st´er´eologiques est

assez faible. Cependant, la d´etermination de la SSA est indirecte, et, de la mˆeme mani`ere

que pour l’adsorption de m´ethane, elle n´ecessite le pr´el`evement d’´echantillon de neige.

Calcul num´erique sur des images tridimensionnelles (3)

Le principe de cette m´ethode est le calcul num´erique direct de la surface sp´ecifique, `a

partir d’image en trois dimensions 3D de la neige (voir la figure 2.1). La reconstruction

num´erique d’image 3D se fait g´en´eralement par la mesure de l’absorption, diff´erenci´ee en

fonction de la direction, de rayons X traversant l’´echantillon de neige. Cette technique est

appel´ee microtomographie aux rayons X. L’analyse de la structure en trois dimensions des

grains de neige permet d’estimer la surface sp´ecifique de la neige (Flin et al.,2005,2011).

Trois principales approches num´eriques existent pour estimer la SSA `a partir des images

3D (Flin et al., 2011) : une approche st´er´eologique 3D, une approche par triangulation

de la surface et une approche par projection de la normale `a la surface de chaque face

d’un voxel

²

. La derni`ere m´ethode est la plus pr´ecise si le nombre de voxels de l’image

est important, notamment parce que la neige est un milieu anisotrope

3

, biaisant ainsi

l’approche st´er´eologique.

2. Un voxel est l’´equivalent d’un pixel en deux dimensions, c.-`a-d. un ´el´ement cubique ´el´ementaire.

3. Un milieu isotrope est un milieu dont les propri´et´es physiques sont invariantes en fonction de la

direction.

Chapitre 2 : Caract´erisation physique du manteau neigeux

Les avantages et inconv´enients de cette m´ethode sont similaires `a ceux de la m´ethode

par adsorption de m´ethane. Ces deux m´ethodes sont consid´er´ees comme des

≪

r´ef´erences

≫

.

N´eanmoins, les images 3D offrent de plus une visualisation de la microstructure de la neige,

permettant l’´etude de la porosit´e de la neige, de la forme des grains, des liens entre les

grains, ... Enfin, la pr´eservation des ´echantillons de neige dans un liquide r´efrig´erant peut

induire des biais de mesure. Les trois m´ethodes pr´esent´ees pr´ec´edemment sont sujettes `a

cette potentielle source d’erreur.

M´ethode optique (4)

Le principe de cette derni`ere m´ethode r´eside dans la d´ependance de la r´eflectance de

la neige, c.-`a-d. la proportion de radiation r´efl´echie, `a la surface sp´ecifique dans le proche

infrarouge (Warren,1982;Matzl and Schneebeli,2006;Domine et al.,2006). La figure2.4

montre l’´evolution de l’alb´edo spectral de la neige en fonction de la longueur d’onde pour

des valeurs de SSA diff´erentes (voir le chapitre3 pour plus de d´etails sur l’alb´edo).

750 1000 1250 1500 1750 2000

Longueur d’onde (nm)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Albédo spectral

SSA = 32.7 m

²

kg

^-1

; r

_opt

= 0.1 mm

SSA = 6.5 m

²

kg

^-1

; r

_opt

= 0.5 mm

SSA = 3.3 m

²

kg

^-1

; r

_opt

= 1.0 mm

Figure 2.4 – ´Evolution de l’alb´edo spectral de la neige en fonction de la longueur d’onde

pour diff´erentes valeurs de SSA. Ces courbes sont calcul´ees avec le mod`ele DISORT qui

mod´elise le transfert radiatif dans la neige. La neige est assimil´ee `a des particules sph´eriques

de glace dans de l’air.

Plusieurs instruments existent pour mesurer la SSA de la neige par m´ethode optique.

La premi`ere mise en œuvre de cette technique a ´et´e la photographie de la face d’un

puits de neige dans le NIR (acronyme du terme anglais near infrared) en 2006 (Matzl

and Schneebeli, 2006). L’utilisation d’une sph`ere int´egrante, c.-`a-d. recueillant toutes les

radiations r´efl´echies par la surface d’un ´echantillon de neige, est la base de l’instrument

DUal Frequency Integrating Sphere for Snow SSA measurement (DUFISSS) d´evelopp´e en

2009 (Gallet et al.,2009). Dans le mˆeme temps, un spectroradiom`etre portable a ´et´e mis

au point pour mesurer la SSA sur la face d’un puits de neige (Painter et al.,2007).

2.2 - La surface sp´ecifique de la neige

Plus r´ecemment, la photographie NIR a ´et´e am´elior´ee (Langlois et al.,2010;Montpetit

et al., 2012) par une modification de la longueur d’onde de mesure, le SWIR (longueur

d’onde comprise entre 1.4 et 3µm, not´ee SWIR pour le terme anglais short wavelength

infrared), et l’instrument InfraRed Integrating Sphere (IRIS) a ´et´e con¸cu sur le mˆeme

concept que DUFISSS (Montpetit et al.,2012). Parall`element, les instruments Profiler Of

Snow Specific Surface area Using SWIR reflectance Measurement POSSSUM et Alpine

Snow Specific Surface Area ProfilerASSSAP ont ´et´e construits (Arnaud et al.,2011).

Les avantages des m´ethodes optiques sont essentiellement leur rapidit´e de mesure et leur

facilit´e de mise en œuvre sur le terrain. Cependant, les pr´ecisions sont a priori l´eg`erement

inf´erieures aux m´ethodes de

≪

r´ef´erence

≫

. Ceux sont de plus des mesures indirectes,

puisqu’elles n´ecessitent la conversion de la r´eflectance h´emisph´erique en surface sp´ecifique.

Cette conversion ´emet l’hypoth`ese de sph´ericit´e des grains de neige, pouvant engendrer

des variations de SSA en fonction de la forme des grains allant jusqu’`a 20% (Picard et al.,

2009a). Les probl`emes majeurs des m´ethodes utilisant une sph`ere int´egrante viennent du

pr´el`evement d’´echantillons. La neige est en effet collect´ee dans une coupelle, plac´ee sous

la sph`ere int´egrante pour la mesure. Cet ´echantillonnage entraˆıne diverses contraintes et

sources d’erreur potentielles : la premi`ere est un ´echantillonnage vertical pouvant

diffici-lement d´epasser 3 cm ; la deuxi`eme est la mesure de la SSA int´egr´ee sur toute la hauteur

de la coupelle, mˆeme si la r´eflexion de surface est largement sup´erieur aux r´eflexions `a

l’int´erieur de l’´echantillon ; la troisi`eme est le temps n´ecessaire pour creuser un puits

pro-fond (5 m par exemple) ; la derni`ere est la possible ´evolution de la SSA de l’´echantillon lors

de son pr´el`evement (destruction m´ecanique de sa microstructure ou d´epˆot de

≪

poussi`ere

de neige

≫

si la neige est tr`es coh´esive) ou durant le temps de la mesure (m´etamorphisme

rapide). Cependant, ce dernier aspect semble peu prononc´e d’apr`es Gallet et al. (2009).

Enfin, les m´ethodes optiques par photographie NIR ou SWIR n´ecessitent un protocole tr`es

rigoureux afin d’obtenir une pr´ecision similaire aux autres m´ethodes optiques. En effet,

la g´eom´etrie de la prise de photo, ainsi que l’´eclairement, sont des facteurs cruciaux pour

Dans le document Evolution de la surface de neige sur le plateau Antarctique : observation in situ et satellite (Page 54-94)